航天可靠性工程技術(shù)體系及關(guān)鍵技術(shù)研究

王國輝，李文釗，劉輕騎，尹子盟

(1.中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076; 2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引言

航天裝備具有高性能、高價值、小批量、組成復(fù)雜、環(huán)境嚴(yán)酷、高速飛行、多次分離等特點(diǎn)，其中導(dǎo)彈和運(yùn)載火箭還具有長期貯存、不可維修以及“人不在回路”等突出特點(diǎn),如表1所示。航天裝備在貯存、待機(jī)、發(fā)射、飛行過程中，如何預(yù)防和處置故障，如何度量、賦予和保持航天裝備高可靠性，使其能夠執(zhí)行預(yù)定的功能，這些突出的可靠性問題需要研究和應(yīng)用行之有效的可靠性工程技術(shù)才能得到解決。

中國航天工業(yè)于20世紀(jì)50年代中后期創(chuàng)建，最初沒有認(rèn)識到可靠性問題。20世紀(jì)60年代中期，由于一次導(dǎo)彈飛行試驗失利暴露出產(chǎn)品工藝和設(shè)計可靠性問題，航天工程師認(rèn)識到了從設(shè)計、生產(chǎn)和管理上采取措施保證產(chǎn)品可靠性的重要性[1-2]。經(jīng)過幾十年積極研究、應(yīng)用和發(fā)展可靠性工程技術(shù)，逐步建立了航天可靠性工程技術(shù)體系，有效解決了航天裝備的可靠性問題，中國航天裝備可靠性已達(dá)到世界前列水平[3-13]。

表1 航天裝備主要特點(diǎn)

航天可靠性工程技術(shù)是為了發(fā)現(xiàn)、分析和解決航天裝備可靠性問題而形成的一類工程技術(shù)，這些技術(shù)有機(jī)綜合起來就構(gòu)成了可靠性工程技術(shù)體系[14-16]。航天可靠性工程技術(shù)體系是否完善，主要以是否能夠系統(tǒng)、全面、有效解決航天可靠性工程問題為判斷標(biāo)準(zhǔn)。本文總結(jié)了航天可靠性工程的3個基本問題，在此基礎(chǔ)上研究提出了航天可靠性工程技術(shù)體系框架，對各種可靠性技術(shù)及其在中國航天工業(yè)的最早應(yīng)用情況進(jìn)行了簡要說明，并基于未來一段時期航天裝備體系發(fā)展需求，提出了后續(xù)需要重點(diǎn)研究的航天可靠性工程關(guān)鍵技術(shù)。

1 航天可靠性工程基本問題

航天可靠性工程面臨的基本問題是：可靠性度量問題、可靠性賦能問題和可靠性保持問題。航天工程師不僅關(guān)注第一個問題，更關(guān)注后兩個問題。

1.1 可靠性度量問題

如何度量產(chǎn)品的可靠性是航天可靠性工程實踐中面臨的第一個基本問題，因為無法度量就無法提出產(chǎn)品可靠性要求，也無法驗證產(chǎn)品是否滿足可靠性要求。由于可靠性是無法直接測量的產(chǎn)品固有質(zhì)量屬性，因此工程實踐中需要研究提出能間接反映產(chǎn)品可靠性的參數(shù)和指標(biāo)，并發(fā)展可以測量或計算這些可靠性指標(biāo)的技術(shù)。

1.2 可靠性賦能問題

如何通過設(shè)計和工藝研發(fā)工作賦予產(chǎn)品良好的固有可靠性，是航天可靠性工程實踐中面臨的第2個基本問題。航天裝備研發(fā)過程一般分為立項論證、方案設(shè)計、工程研制、鑒定定型等階段。立項論證階段提出航天裝備可靠性指標(biāo)后，要在后續(xù)各階段工作中實現(xiàn)、驗證和確認(rèn)，因此需要研究和應(yīng)用可靠性設(shè)計、分析、仿真、試驗、評估等各種工程技術(shù)，確保固化后的產(chǎn)品設(shè)計和工藝狀態(tài)能使產(chǎn)品符合可靠性要求。

1.3 可靠性保持問題

如何保證生產(chǎn)交付用戶使用的航天裝備達(dá)到和保持高可靠性水平，是航天可靠性工程實踐中面臨的第3個基本問題。航天產(chǎn)品生產(chǎn)交付用戶之前要經(jīng)過物資采購、零件加工、產(chǎn)品裝配、調(diào)試、試驗、包裝、運(yùn)輸?shù)冗^程，交付用戶后要經(jīng)歷貯存、轉(zhuǎn)載、吊裝、測試、發(fā)射等過程，在這些過程中，產(chǎn)品可靠性受到元器件、原材料、加工尺寸、裝調(diào)狀態(tài)、外部環(huán)境、人員操作及接口條件等多種隨機(jī)性因素的影響，需要研究和應(yīng)用缺陷辨識、缺陷剔除、故障診斷、系統(tǒng)重構(gòu)等可靠性工程技術(shù)，使產(chǎn)品故障率低，或發(fā)生故障后也能夠較好地完成任務(wù)。

2 航天可靠性工程技術(shù)體系框架

與航天可靠性工程面臨的3個基本問題相對應(yīng)，航天可靠性工程技術(shù)體系由可靠性度量技術(shù)、可靠性賦能技術(shù)和可靠性保持技術(shù)等組成，如圖1所示。

圖1 航天可靠性工程技術(shù)體系框架Fig.1 Aerospace reliability engineering technical system framework

2.1 可靠性度量技術(shù)

可靠性度量是指對產(chǎn)品的可靠性水平進(jìn)行測量、衡量或估量等活動，這類活動不會改變產(chǎn)品固有的可靠性。可靠性度量技術(shù)主要包括可靠性建模技術(shù)、可靠性預(yù)計技術(shù)、可靠性鑒定技術(shù)和可靠性評估技術(shù)。

1)可靠性建模技術(shù)是最基本的可靠性工程技術(shù)，是開展可靠性分配、預(yù)計、分析、評估、優(yōu)化等工作的基礎(chǔ)。可靠性建模方法很多，概括起來可以分為基于概率論的方法[17-18]、基于故障機(jī)理的方法、基于不確定理論和機(jī)會理論的方法等。中國航天工業(yè)最早在20世紀(jì)60年代末，由中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院可靠性調(diào)查組采用概率論方法開展了航天產(chǎn)品可靠性建模。

2)可靠性預(yù)計技術(shù)主要應(yīng)用于方案設(shè)計階段，此時工程樣機(jī)尚未制造，需要根據(jù)設(shè)計方案、工作原理、任務(wù)剖面等，利用組成產(chǎn)品的元器件、零部件失效率數(shù)據(jù)，或者類似產(chǎn)品的歷史數(shù)據(jù)，來定量分析設(shè)計方案是否滿足可靠性指標(biāo)要求，以及對比不同設(shè)計方案的可靠性，為技術(shù)決策提供支持[19-20]。最早在1980年初，航天工程師進(jìn)行了實驗通信衛(wèi)星控制系統(tǒng)可靠性預(yù)計。

3)可靠性鑒定技術(shù)主要應(yīng)用于鑒定定型階段，通過可靠性鑒定，給出達(dá)到或未達(dá)到可靠性指標(biāo)的結(jié)論，為裝備能否定型提供依據(jù)。通常應(yīng)開展可靠性鑒定試驗。在進(jìn)度、經(jīng)費(fèi)等限制條件下，可以采信工程研制階段成功的可靠性增長試驗數(shù)據(jù)。最早在20世紀(jì)80年代初，航天工程師開展了控制系統(tǒng)、遙測系統(tǒng)可靠性鑒定試驗。

4)可靠性評估技術(shù)主要應(yīng)用于產(chǎn)品定型后，此時已完成工程研制，積累了研制階段、定型階段和使用階段的可靠性數(shù)據(jù)，通過可靠性評估，可以較為準(zhǔn)確地估計產(chǎn)品的可靠性。在工程研制階段末期，也可以利用研制階段試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性預(yù)評估，但其精度相對要低。最早在20世紀(jì)80年代初，航天工程師開展了火箭可靠性、貯存期評估[21-27]。

2.2 可靠性賦能技術(shù)

可靠性賦能是指賦予產(chǎn)品所能達(dá)到的可靠性水平的一系列活動，這類活動直接決定產(chǎn)品固有可靠性的高低。可靠性賦能技術(shù)主要包括可靠性論證技術(shù)、可靠性分配技術(shù)、可靠性設(shè)計技術(shù)、可靠性分析技術(shù)、可靠性仿真技術(shù)和可靠性試驗技術(shù)、可靠性增長技術(shù)。

1)可靠性論證技術(shù)主要應(yīng)用于立項論證階段，通過論證確定科學(xué)、合理、可實現(xiàn)、可驗證的可靠性指標(biāo)，作為開展航天裝備研制的依據(jù)[28]。最早在20世紀(jì)60年代末，中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院可靠性調(diào)查組研究提出了運(yùn)載火箭發(fā)射準(zhǔn)備可靠性、飛行可靠性、安全系統(tǒng)可靠性、貯存可靠性、運(yùn)輸可靠性指標(biāo)。

2)可靠性分配技術(shù)主要應(yīng)用于方案設(shè)計階段，將航天裝備可靠性指標(biāo)逐級分配到分系統(tǒng)和儀器設(shè)備，為各級產(chǎn)品開展可靠性設(shè)計和鑒定提供依據(jù)。最早在20世紀(jì)60年代末，中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院可靠性調(diào)查組進(jìn)行了可靠性指標(biāo)分配。

3)可靠性設(shè)計技術(shù)主要應(yīng)用于方案設(shè)計和工程研制階段，在產(chǎn)品方案設(shè)計上，可應(yīng)用簡化設(shè)計、冗余設(shè)計、繼承性設(shè)計等可靠性設(shè)計技術(shù)；在產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計中，可采用裕度設(shè)計、降額設(shè)計、減振設(shè)計、熱設(shè)計、“三防”設(shè)計、防差錯設(shè)計等可靠性設(shè)計技術(shù)。最早在20世紀(jì)70年代初，航天工程師就在運(yùn)載火箭設(shè)計改進(jìn)中采用了控制系統(tǒng)主要儀器兩套并聯(lián)互為備份、電纜網(wǎng)重要接點(diǎn)雙點(diǎn)接觸等措施。

4)可靠性分析技術(shù)主要應(yīng)用于方案設(shè)計階段及工程研制階段，通過提前識別和分析產(chǎn)品潛在故障模式，提出針對性的糾正措施，指導(dǎo)設(shè)計改進(jìn)完善。可靠性分析技術(shù)通常包括故障模式、影響及危害性分析(FMECA)、故障樹分析(FTA)、最壞情況分析、潛在電路分析等技術(shù)。最早在20世紀(jì)80年代中后期，航天工程師開展了廣播衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)故障模式及影響分析工作[29-31]。

5)可靠性仿真技術(shù)主要應(yīng)用于工程研制階段，作為產(chǎn)品實物可靠性試驗的有益補(bǔ)充，通過計算機(jī)模擬各種隨機(jī)因素或故障對產(chǎn)品可靠性的影響，驗證設(shè)計措施的有效性，為可靠性設(shè)計和可靠性評估提供參考。最早在20世紀(jì)90年代中期，西北工業(yè)大學(xué)開展了固體火箭發(fā)動機(jī)性能可靠性仿真預(yù)計[32]。

6)可靠性試驗技術(shù)主要應(yīng)用于工程研制階段和鑒定定型階段。工程研制階段重點(diǎn)是采用工程樣機(jī)開展可靠性研制試驗，暴露設(shè)計和工藝薄弱環(huán)節(jié)，為可靠性改進(jìn)提供指導(dǎo)。可靠性研制試驗一般包括可靠性強(qiáng)化試驗、可靠性增長試驗、壽命試驗、貯存試驗等。最早在20世紀(jì)60年代末，航天工程師開始開展貯存試驗；20世紀(jì)80年代初，對導(dǎo)彈控制系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備開展可靠性摸底試驗[33]；20世紀(jì)90年代在載人運(yùn)載火箭研制過程中進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用了環(huán)境安全余量試驗[34]；進(jìn)入新世紀(jì)以來，在新一代運(yùn)載火箭研制過程中，開展關(guān)鍵產(chǎn)品可靠性強(qiáng)化試驗,鑒定定型階段則開展可靠性鑒定試驗。

7)可靠性增長技術(shù)主要應(yīng)用于運(yùn)載火箭、衛(wèi)星應(yīng)用階段，通過分析生產(chǎn)、試驗、使用等過程暴露出的可靠性問題，查找產(chǎn)品的可靠性薄弱環(huán)節(jié)，并研究提出針對性的改進(jìn)措施。從“九五”開始，航天工程師開始較為系統(tǒng)地開展火箭、衛(wèi)星可靠性增長工作[35]。

2.3 可靠性保持技術(shù)

可靠性保持是指生產(chǎn)出可靠的產(chǎn)品，并使產(chǎn)品交付后保持在滿足任務(wù)要求的可靠性水平的一系列活動，這類活動能使產(chǎn)品達(dá)到或接近其固有可靠性水平。可靠性保持技術(shù)主要包括缺陷剔除技術(shù)、故障診斷技術(shù)、維護(hù)保養(yǎng)技術(shù)、系統(tǒng)重構(gòu)技術(shù)、延壽技術(shù)。

1)缺陷剔除技術(shù)應(yīng)用于到貨復(fù)驗環(huán)節(jié)及產(chǎn)品生產(chǎn)過程。元器件、原材料到貨后進(jìn)行復(fù)驗和二次篩選(必要時)。電子產(chǎn)品加工、裝配完畢后，開展環(huán)境應(yīng)力篩選(ESS)和老煉[36]。其他類型產(chǎn)品要開展驗收(篩選)試驗。最早在20世紀(jì)70年代中后期，開始開展元器件和設(shè)備老化、篩選。

2)故障診斷技術(shù)應(yīng)用于航天裝備集成裝配后。在出廠測試、貯存、待機(jī)、發(fā)射、在軌、再入等全過程，通過對產(chǎn)品功能、性能和環(huán)境參數(shù)的測量和計算分析，預(yù)測、監(jiān)控和管理系統(tǒng)健康狀況，為技術(shù)決策提供依據(jù)。最早在20世紀(jì)60年代初，航天工程師初步開展了測試技術(shù)的研究應(yīng)用。

3)維護(hù)保養(yǎng)技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品投入使用前，通過定期或不定期的保養(yǎng)、維護(hù)等，保持產(chǎn)品處于良好的可用狀態(tài)。最早在20世紀(jì)60年代末，航天工程師就對交付用戶的航天裝備進(jìn)行定期檢修。

4)系統(tǒng)重構(gòu)技術(shù)一般應(yīng)用于航天裝備發(fā)射及飛行任務(wù)階段。通過辨識系統(tǒng)故障、隔離故障，實時構(gòu)建系統(tǒng)模型，建立適應(yīng)新模型的控制律，使航天裝備能夠繼續(xù)執(zhí)行預(yù)定任務(wù)。近年來，航天工程師開始將系統(tǒng)重構(gòu)技術(shù)應(yīng)用于長征三號甲系列火箭。

5)延壽技術(shù)應(yīng)用于航天裝備到壽前，通過整修、改造、升級、試驗等方法，延長產(chǎn)品的貯存期或使用壽命，使之具備繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)的能力。21世紀(jì)初，航天裝備延壽工作取得了良好的效益。

3 航天可靠性工程關(guān)鍵技術(shù)

航天裝備后續(xù)將向體系化、智能化、高性能、高安全、高可靠、長壽命、低成本等方向發(fā)展。為適應(yīng)航天裝備的發(fā)展要求，需要進(jìn)一步發(fā)展和完善可靠性工程技術(shù)體系，推進(jìn)可靠性關(guān)鍵技術(shù)研究。

3.1 航天裝備體系可靠性建模及優(yōu)化技術(shù)

航天裝備體系是由功能互補(bǔ)的多種航天裝備及網(wǎng)絡(luò)所形成的有機(jī)整體。航天裝備體系的可靠性水平直接影響體系效能的發(fā)揮，然而，航天裝備體系可靠性建模及優(yōu)化剛剛開始，尚不深入。需要推進(jìn)航天裝備體系可靠性建模及優(yōu)化技術(shù)研究，支撐航天裝備體系可靠性模型、可靠性指標(biāo)論證與分配、航天裝備體系架構(gòu)優(yōu)化等活動[37-39]。

3.2 航天產(chǎn)品可靠性仿真技術(shù)

航天裝備中大量使用電子、機(jī)電、光電、機(jī)構(gòu)、結(jié)構(gòu)、火工、發(fā)動機(jī)、軟件等各類產(chǎn)品。航天產(chǎn)品研制過程中很難開展長時間、真實環(huán)境下的貯存試驗和可靠性增長試驗，另外單純依靠實物試驗暴露產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié)容易造成研制周期的延長和研制成本的增加，需要發(fā)展基于故障機(jī)理的航天產(chǎn)品可靠性仿真技術(shù)，為提前發(fā)現(xiàn)可靠性薄弱環(huán)節(jié)提供可行的技術(shù)途徑。

3.3 航天機(jī)構(gòu)產(chǎn)品可靠性設(shè)計及驗證技術(shù)

航天裝備中采用的各種閥門、伺服機(jī)構(gòu)、包帶、對接機(jī)構(gòu)等運(yùn)動機(jī)構(gòu)產(chǎn)品，潛在的故障模式眾多，引發(fā)故障的因素復(fù)雜。盡管國內(nèi)外針對機(jī)構(gòu)產(chǎn)品可靠性進(jìn)行了很多研究，但航天機(jī)構(gòu)產(chǎn)品可靠性設(shè)計及驗證技術(shù)仍不夠成熟和完善，需要進(jìn)一步研究綜合考慮動作、環(huán)境及多余物等多種影響因素的機(jī)構(gòu)產(chǎn)品可靠性設(shè)計及驗證技術(shù)，降低機(jī)構(gòu)產(chǎn)品技術(shù)風(fēng)險。

3.4 航天發(fā)動機(jī)可靠性試驗技術(shù)

航天裝備中各種類型的主發(fā)動機(jī)、姿軌控發(fā)動機(jī)影響任務(wù)成敗，一旦發(fā)生故障后果嚴(yán)重。由于航天發(fā)動機(jī)精細(xì)化可靠性建模、分析和仿真難度很大，因此研制過程中需要開展充分的可靠性試驗來暴露問題，驗證設(shè)計和工藝可靠性。目前航天發(fā)動機(jī)可靠性試驗方法還不夠完善，需要繼續(xù)深入研究發(fā)動機(jī)可靠性試驗技術(shù)，尤其要完善基于組件試驗、整機(jī)試車、多機(jī)試車和飛行試驗的航天發(fā)動機(jī)可靠性試驗體系。

3.5 不可檢測產(chǎn)品缺陷辨識及剔除技術(shù)

航天裝備中功能、性能不可檢測的火工品、破裂膜片等關(guān)鍵產(chǎn)品，主要采用原材料入廠復(fù)驗、零部件尺寸檢驗、組批產(chǎn)品抽樣檢驗等方法進(jìn)行控制，缺陷辨識及剔除技術(shù)尚不完善，需要進(jìn)一步研究基于大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的缺陷辨識和剔除技術(shù)，充分利用工程研制階段及批生產(chǎn)階段各種檢測、試驗數(shù)據(jù)，提高不可檢測產(chǎn)品缺陷識別率和剔除率[40-41]。

3.6 航天裝備智能維護(hù)及保障技術(shù)

航天裝備在長期貯存及待機(jī)過程中一旦發(fā)生故障，如果不能及時發(fā)現(xiàn)和有效糾正，其可用性將難以保證。為此，應(yīng)研究和發(fā)展航天裝備智能維護(hù)及保障技術(shù)，綜合利用嵌入式、在線式狀態(tài)感知技術(shù)、基于“數(shù)據(jù)驅(qū)動”的預(yù)防性維修技術(shù)、基于人工智能的后勤保障技術(shù)等，實現(xiàn)狀態(tài)的快速感知、維護(hù)方案的適時生成和后勤保障的自主實施[42-44]。

3.7 航天裝備故障辨識及動態(tài)重構(gòu)技術(shù)

航天裝備飛行過程中一旦發(fā)生未正常分離、發(fā)動機(jī)推力異常下降等嚴(yán)重故障，極可能造成飛行失利。為實現(xiàn)單一產(chǎn)品或局部故障情況下，航天裝備依然可以充分發(fā)揮剩余能力，盡最大可能完成任務(wù)，需要研究和發(fā)展基于信息技術(shù)的航天裝備故障辨識技術(shù)，采用動態(tài)模型重構(gòu)和控制方法，提高航天裝備智能化水平，提升任務(wù)成功性[45-46]。

4 結(jié)論

經(jīng)過60多年的發(fā)展，中國航天可靠性工程技術(shù)體系已基本建立，各種可靠性工程技術(shù)已在航天裝備研制和使用維護(hù)過程中發(fā)揮重要作用。為適應(yīng)航天裝備體系后續(xù)發(fā)展需要，應(yīng)堅持不懈用好現(xiàn)有可靠性技術(shù)方法，并加強(qiáng)可靠性關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，為航天裝備體系建設(shè)提供堅實的可靠性技術(shù)支撐。